射影幾何與對偶

笛沙格定理(Desargues' theorem)

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若兩個三角形對應頂點的三條連線都通過一個公共點,就說這兩個三角形對該點透視——想像一盞燈投下兩個三角形影子,對應頂點沿著從燈泡射出的光線一一對齊。笛沙格定理說,圖形的另一側便會發生一件出奇的事:三對對應邊延長後,相交於三個共線的點——它們都落在一條直線上。對點透視,逼出對線透視。

精確地說。設三角形 ABC 與 A'B'C' 滿足:線 AA'、BB'、CC' 都通過同一點 O(透視中心)。考慮三對對應邊:BC 與 B'C'、CA 與 C'A'、AB 與 A'B'。每一對延長後交於一點——記為 P、Q、R。笛沙格定理斷言 P、Q、R 共線;過它們的線稱為透視軸。逆定理也成立:若三對對應邊交於三個共線的點,則三條頂點連線共點。在射影平面中沒有例外要迴避——若某兩條對應邊剛好「平行」,它們的交點只不過落在無窮遠線上,定理依然成立。

笛沙格定理(Girard Desargues,1639)是射影幾何的基石,也是對偶的完美範例:定理與其逆互為對偶,故此圖形是自對偶的——十點十線,每點在三線上、每線過三點。一個深刻而誠實的微妙之處:在平面中,笛沙格定理無法僅由接合公理證得(存在使它失效的奇異「非笛沙格平面」),但一旦把平面置入三維空間中它便自動成立——其自然證明把兩個三角形抬升到相交於透視軸的兩張不同平面上。一個平面事實在從空間俯視時最為乾淨,這是幾何中最可愛的一課。

把一張小三角形卡片傾斜地放在燈與牆之間,使其影子是另一個形狀不同的三角形。對三個角而言,燈、卡片的角、影子對應的角皆共線——這就是對燈透視。笛沙格保證:每條卡片邊所在的線與其影子邊所在的線相交處,三個交點排成一直線:對線透視。

對點透視(三條頂點線共點)逼出對線透視(三個邊交點共線)。

誠實的微妙處:笛沙格定理並非僅由平面接合公理推出——存在非笛沙格射影平面。它在每個能嵌入射影三維空間的射影平面中成立(特別是實平面),那裡最簡單的證明來自抬升到第三維。

又稱
theorem on perspective triangles得沙格定理透視三角形定理